下载文档原格式
复杂边界条件圆柱壳自由振动特性分析复杂边界条件下圆柱壳的自由振动特性分析是研究圆柱壳在振动过程中的频率和模态形式的一种方法。
在工程领域中，圆柱壳结构广泛应用于航空航天、汽车工程、建筑结构等领域，因此对其自由振动特性的研究具有重要的理论和实际意义。
圆柱壳的自由振动特性包括固有频率和振型两个方面。
固有频率是指圆柱壳在没有外界激励作用下，自身在特定模态下振动的频率。
振型是指圆柱壳在特定频率下的振动形式。
通过对圆柱壳自由振动特性的分析，可以了解和预测圆柱壳结构在振动情况下的响应特性，为工程设计和优化提供依据。
复杂边界条件下的圆柱壳自由振动特性分析主要涉及到两方面的问题：边界条件的确定和求解方法的选择。
对于边界条件的确定，一般有两种情况：一是边界固定的情况，即圆柱壳的边界处完全固定，不能发生位移；二是边界自由的情况，即圆柱壳的边界处可以发生位移。
在实际工程中，边界条件常常是复杂的，因此需要根据具体情况确定边界条件。
确定边界条件后，可以利用合适的数学模型进行求解。
在求解方法选择上，常用的方法有两类：解析方法和数值方法。
解析方法是指通过解析公式求解圆柱壳自由振动的特性。
这种方法适用于边界简单、材料均匀、形状规则的圆柱壳，可以得到准确的解析解。
当边界条件复杂、材料非均匀、形状不规则时，解析方法往往难以求解。
此时，可以采用数值方法进行求解，主要包括有限元法、边界元法、模态超元法等。
这些方法可以将复杂问题离散化为简单问题，通过数值计算得到近似解，具有较高的计算精度和适用性。
复杂边界条件下圆柱壳自由振动特性的分析是一个复杂而有挑战的问题。
需要根据具体情况确定边界条件，并选择合适的求解方法。
通过对圆柱壳自由振动特性的分析，可以深入了解圆柱壳的振动行为，为工程设计提供科学依据，具有重要的理论和应用价值。
U G S N X复杂壳体建模技术UGS NX复杂壳体建模技术作者：西安航空动力控制公司第二设计研究所史培林来源：UGS摘要：发动机燃油附件中需要模具设计和数控加工的壳体类零件，具有孔系特征多、铸造表面形状复杂的特点，对模型质量的要求比一般简单零件更严格。
本文从理论和实践的结合上，对复杂壳体从模型质量的基本要求、建模的思路和策略、建模的一般步骤、实现相关性的建模方法和技巧、实现可编辑性的建模方法和技巧、模型质量的分析和检查等六个方面进行了全面系统深入的探讨研究，是我所UGS NX设计应用实践经验的总结，可填补一般UGS NX培训教材复杂壳体类建模技术的空白。
关键词：UGS NX 复杂壳体建模在产品数字化设计与制造和全生命周期管理中，产品设计建模处于龙头地位。
所谓“牵一发而动全身”，就是产品设计建模重要性的真实写照，对于复杂壳体而言更是如此。
复杂壳体结构复杂，制造周期长，是燃油附件产品研制生产的一个老大难问题。
深入研究和探索复杂壳体建模技术无疑具有紧迫的实际意义。
本文所讨论的建模，是指三维实体几何模型，不包含二维制图的内容。
1 模型质量的基本要求本文所指的复杂壳体，是指发动机燃油附件中需要模具设计和数控加工的壳体类零件，它具有孔系特征多、铸造表面形状复杂的特点（图1）。
因此，对模型质量的要求比一般简单零件更严格。
图1：典型壳体零件（局部）复杂壳体模型质量的基本要求：·正确性：模型应准确反映设计意图，对其内容的技术要求理解不能有任何歧义。
要确立“面向制造”的新的设计理念，充分考虑模具设计、工艺制造等下游用户的应用要求，做到与实际的加工过程基本匹配。
·相关性：应用主模型原理和方法，进行相关参数化建模，正确体现数据的内在关联关系，保证产品信息在产品数据链中的正确传递。
·可编辑性：模型能编辑修改，整个建模过程可以回放（Playback）。
模型可被重用和相互操作。
重用性和相互操作性是由可编辑性派生出来的重要特性。
基于ANSYS加筋圆柱壳结构强度分析研究的开题报告一、研究背景及意义随着人们对科技的需求不断提高，机械工程领域的研究和应用也得到了迅猛发展。
加筋圆柱壳结构是机械领域中广泛应用的结构形式，其具有结构简单、刚度高、承载能力强等优点，是一种重要的结构形式。
然而，加筋圆柱壳结构在实际应用中也面临着许多问题，如强度不足、振动过大等问题。
因此，对加筋圆柱壳结构的强度进行深入的研究，对于提高其设计和制造水平，改善其工作性能具有重要意义。
二、研究内容本研究拟以ANSYS软件为工具，以某型号加筋圆柱壳结构为研究对象，进行强度分析和优化设计。
具体研究内容如下：1.建立加筋圆柱壳结构的有限元模型，通过ANSYS软件进行优化网格划分，确保模型精度。
2.对加筋圆柱壳结构进行力学分析，计算出其载荷、应力、位移等参数。
3.依据分析结果，对加筋圆柱壳结构的强度进行评估，查找其可能存在的弱点和薄弱环节。
4.针对强度不足的问题，推导出加筋圆柱壳结构的优化设计方案，通过数值模拟验证其有效性。
三、研究方法及技术路线本研究主要采用数值模拟的方法，将加筋圆柱壳结构建模为有限元模型，通过ANSYS软件进行力学分析和模拟计算，得出该结构的应力、位移和动态特性等关键参数。
根据计算结果，通过开展优化设计，提升加筋圆柱壳结构的强度和稳定性。
具体的技术路线如下：1.加筋圆柱壳结构的建模。
采用SolidWorks软件对加筋圆柱壳结构进行三维建模，并实现模型的几何体参数化。
2.有限元分析。
将建立的几何模型导入ANSYS软件中，进行网格划分、载荷边界设置等操作，进行有限元分析。
3.分析结果评估。
计算出加筋圆柱壳结构的应力、位移、振动等参数，通过评估分析结果，找出其强度弱点，并提出优化设计方案。
4.优化设计。
根据评估结果拟定优化方案，对加筋圆柱壳结构的强度和承载能力进行提升。
5.数值模拟验证。
采用ANSYS软件对优化设计方案进行数值模拟验证，验证方案的有效性和可行性。
薄壳结构分析圆柱壳和圆锥壳的受力分析与设计薄壳结构是一种常见的工程结构，具有重要的应用价值。
在工程实践中，圆柱壳和圆锥壳是常见的薄壳结构形式。
本文将针对这两种薄壳结构进行受力分析与设计的探讨。
一、圆柱壳的受力分析与设计1. 圆柱壳的基本概念圆柱壳是由一个平行于母线的曲面和两个平行于轴线的平面所围成的结构形式。
圆柱壳的内外曲面称为壳体，两平面称为壳底。
2. 圆柱壳的受力分析圆柱壳主要受到的力有压力、剪力和弯矩。
在设计圆柱壳时，需对这些作用力进行合理计算与选取。
2.1 压力分析圆柱壳承受的压力主要沿着壳体方向作用，通过壳底传递给基础。
设计时需要考虑圆柱壳的工作环境和受力情况，选择合适的材料和壳体厚度。
2.2 剪力分析剪力主要发生在圆柱壳壳体与壳底的接触面上，主要由基础产生的水平作用力引起。
设计时需考虑到基础的强度和稳定性，确保圆柱壳的稳定性。
2.3 弯矩分析弯矩是圆柱壳在垂直于轴线方向产生的力矩。
设计时需考虑到圆柱壳的荷载情况和弯曲刚度，选择适当的截面形状和材料。
3. 圆柱壳的设计原则在设计圆柱壳时，需要遵循以下原则：3.1 强度原则确保圆柱壳在承受外部荷载时，各个壳体和壳底部分的应力处于安全范围内，避免出现破坏现象。
3.2 稳定性原则保证圆柱壳在受力情况下能够保持稳定，避免产生位移或失稳现象。
3.3 经济性原则通过合理的设计和材料选取，使圆柱壳的制作和施工成本尽量低，达到经济效益最大化。
二、圆锥壳的受力分析与设计1. 圆锥壳的基本概念圆锥壳由一个锥面和两个平行于轴线的平面所围成的结构形式，是一种比圆柱壳更为复杂的薄壳结构。
2. 圆锥壳的受力分析圆锥壳的受力情况与圆柱壳类似，主要是压力、剪力和弯矩。
然而，由于圆锥壳的几何形态不规则，对其进行受力分析和设计时需要更多的考虑。
2.1 压力分析圆锥壳承受的压力分布较为复杂，需要通过数学模型或实验手段进行分析和计算。
2.2 剪力分析圆锥壳的剪力分布不均匀，需考虑壳体的几何形态和局部应力集中的情况，选择合适的剪力设计。
基于参数化建模柱面网壳结构拓扑优化设计的开题报告一、研究背景和意义近年来，随着计算机技术的不断发展和计算能力的逐步提升，基于参数化建模的 CAD/CAM 技术在工程设计领域中得到了广泛的应用。
与传统的手工绘图和制图相比，基于参数化建模的工程设计具有精度高、效率快、重复利用性强等优点。
在建筑领域中，建筑结构的设计优化也是工程设计中的热点问题之一。
针对如何优化设计建筑结构问题，基于参数化建模技术的应用极具潜力。
在建筑结构中，网壳结构是一种常见的结构形式。
网壳结构具有强大的承载能力、良好的稳定性和美观的外观设计特点。
然而，传统的网壳结构设计方法存在着结构设计不稳定、造价高、结构复杂等问题。
基于参数化建模的网壳结构优化设计可以有效地解决这些问题，提高设计效率和结构的稳定性。
本研究旨在探讨基于参数化建模的柱面网壳结构拓扑优化设计方法，解决传统网壳结构设计中存在的不足，提高网壳结构的设计效率和结构的稳定性。
二、研究内容和方案1.研究内容本研究的主要研究内容如下：（1）对柱面网壳结构进行参数化建模，确定设计参数和优化目标。
（2）采用拓扑优化算法对网壳结构进行优化设计，提高结构的稳定性。
（3）利用有限元分析方法对优化后的柱面网壳结构进行计算分析，验证结构的抗风和抗震性能。
（4）通过对比分析优化前后网壳结构的设计参数和优化目标，评估参数化建模拓扑优化设计方法的效果和优劣。
2.研究方案本研究的研究方案如下：（1）确定研究对象和设计参数。
选择某一具有代表性的柱面网壳结构作为研究对象，对网壳结构进行参数化建模，并确定优化目标和设计参数。
（2）采用拓扑优化算法对柱面网壳结构进行优化设计。
通过改变节点位置和杆件截面面积等设计参数，寻求网壳结构的最优设计方案。
（3）结构计算分析。
对优化后的柱面网壳结构进行有限元分析，分别计算结构在风荷载和地震荷载作用下的受力情况和变形情况，并与传统设计方法进行比较分析。
（4）结果对比和评估。
复杂圆柱壳结构参数化建模方法及模型库设计王雪仁;缪旭弘;钱德进;贾地【摘要】针对船舶的主要结构形式——复杂圆柱壳结构,为研究其快速建模方法以实现船舶结构的优化设计,基于隐式参数化模型概念提出参数化模型表征方法,建立其分类和命名体系,给出其参数化建模方式和流程,利用数值仿真工具完成其参数化模型库设计和开发,并应用于某船舶结构的快速建模.算例表明:复杂圆柱壳参数化模型库设计合理,满足复杂圆柱壳结构快速建模和修改的要求.【期刊名称】《计算机辅助工程》【年(卷),期】2014(023)002【总页数】5页(P105-109)【关键词】船舶;复杂圆柱壳;隐式参数化建模;模型库;命名规则【作者】王雪仁;缪旭弘;钱德进;贾地【作者单位】92857部队,北京100161;92857部队,北京100161;92857部队,北京100161;92857部队,北京100161【正文语种】中文【中图分类】U663.9;TP391.90 引言在现代工程设计过程中，“仿真驱动设计”已成为追求的目标.［1］计算机技术的进步以及有限元和边界元等数值仿真方法的不断发展使这一目标正逐步成为现实.对于船舶和飞机等大型复杂结构，仿真模型建立的工作量巨大，且模型的修改和替换往往十分困难，需重新建模，难以满足工程中多方案设计快速分析的要求.实现复杂结构的快速仿真建模，保证其结构零部件在分析时可被快速构建、替换和修改，成为真正实现“仿真驱动设计”理念的前提.模型的参数化是解决这些问题的有效途径，已在汽车和航空等领域中得到成熟应用，并逐步应用于概念方案设计阶段，从而提高产品开发的效率和效益.［2-3］但是，在船舶领域中，特别是在水下航行器方面，仿真模型的开发仍停留在传统建模方式上，效率低，导致仿真分析仍停留在详细设计完成后的局部校核计算上.［4-5］复杂圆柱壳结构(包括双层壳、加强结构、舷间结构、甲板结构和舱室结构等)是水下航行器结构的主体结构［6］，研究其参数化建模方式具有重要的工程应用价值，可促进仿真分析在船舶设计中的应用.本文开展复杂圆柱壳结构参数化建模方法研究，完成参数化模型库的设计，并初步构建复杂圆柱壳参数化模型库，实现其应用.1 复杂圆柱壳结构参数化建模1.1 模型隐式参数化设计参数化设计可以通过改动模型某一部分或某几部分的尺寸，自动完成对模型中相关部分的改动，从而实现尺寸对模型的驱动，包括显式参数化设计和隐式参数化设计2种.［7］在显式参数化设计中，参数化几何体由一系列抽象的参数形成，几何体之间的关系可通过线性方程组描述;隐式参数化设计利用诸如多项式等数学描述方式直接进行创建和修改，模型构建的灵活性得到很大提高.复杂圆柱壳模型的参数化采用隐式参数化设计实现，用基点、线曲率和剖面形状等3种类型参数控制其参数化模型的几何形状变化.模型可以通过控制上述参数与单个模型之间的拓扑关系自动生成，且所有复杂的系统级模型都通过拓扑关系相连接，一旦修改其中的任一参数，与其相关联的所有几何体会产生相应变化.传统CAD参数化模型修改与隐式参数化模型修改对比见图1，可知，对于传统CAD模型，在改变模型的内壳横剖面形状后，模型的几何连续性被打破，不同部件会发生脱离或干涉;对于隐式参数化模型，随着耐压壳横剖面的变化，与之相连的几何部件都发生调整，整个模型依然保持几何拓扑关系和几何连续性.图1 传统CAD参数化模型修改与隐式参数化模型修改对比Fig.1 Comparison of modification of traditional CAD parametrization models and implicit parametrization models1.2 参数化模型几何元素构成传统的CAD/CAE模型的几何要素主要有点、线、面和体等.其建模方式一般是先建点，再由点生成线，然后由线生成面，最后用面生成体;由低级单元生成高级单元.在参数化建模中，参数化模型的基本要素被划分为基点、基线、梁、横剖面、接头和自由面等.1.2.1 基点和基线用于控制参数化模型修改的点和线(见图2)称为基点和基线，其定义主要是与非参数化模型的点和线的概念区分.1.2.2 梁与通常意义上的梁概念不同，本文的梁指将一个构件的剖面通过拖拉形成的结构，如图3所示的构件由2个基点、1个基线、8条连接线(自动生成)和2个基面构成7个面;而一般建模方法需要建立16个点、22条线和7个面.这种参数化建模方式减少保存的数据量，提高工作效率.下文中所指的梁都为该类型梁.图2 基点和基线Fig.2 Basic points and lines图3 梁建模示意Fig.3 Schematic for beam modeling1.2.3 横剖面横剖面可分为基面(母剖面)和局部剖面(子剖面).基面沿路径拖拉形成梁，梁两端自动生成2个子剖面，子剖面外形完全由基面控制，见图3.在两端子剖面之间可手动添加不同的子剖面，以描述横截面变化的几何构件.子剖面适用于结构的局部修改，基面适用于模型整体修改.1.2.4 接头在结构骨架由梁元素创建完成后，梁与梁之间通常会出现间断的缝隙，接头元素可用于梁与梁之间的连接，见图4.图4 接头Fig.4 Joint1.2.5 自由面自由面主要用以填充梁结构形成的平面空间，由封闭的几何边界线围成，见图5. 图5 自由面Fig.5 Free surface1.3 参数化建模方式和流程参数化建模方式主要有2种:点+线+面的建模方式和点+线+梁+自由面的建模方式.前一种建模方式适合复杂无规律的结构模型，缺点是建模时间长;后一种建模方式效率高，难点在于框架梁结构的选择:若过多采用梁结构，则难以保证梁之间的连接关系.另外，复杂圆柱壳结构存在许多对称结构，建模时只需建一半结构，另一半通过对称得到;非对称结构可在对称结构建立后补充得到，从而提高建模效率.复杂圆柱壳结构参数化建模流程如下:(1)创建基点和基线.一般在复杂圆柱壳的对称中心线上创建基点和基线，每段肋位建立一个基线和一个基点，其他梁以此基点作为参照点.(2)外壳参数化建模.将复杂圆柱壳的外壳和顶纵桁板作为梁元素创建，首先得到某一肋位处的横剖面，通过拖拉形成梁，然后建立横剖面再拖拉形成梁.如此循环，建立外壳模型，见图6.图6 外壳参数化建模流程Fig.6 Process of parametrization modeling of outer shell(3)内壳参数化建模.以梁元素创建复杂圆柱壳的内壳，建立内壳结构，见图7.图7 内壳参数化建模流程Fig.7 Process of parametrization modeling of inner shell(4)内外壳舷间结构参数化建模.采用自由面建模，若不方便创建自由面结构，可先创建舷间结构(如托板的局部剖面)，然后连接封闭曲线形成自由面，最后再定义内壳与外壳映射连接关系，见图8.图8 内外壳舷间结构参数化建模流程Fig.8 Process of parametrization modeling of structures between inner and outer ship side shells(5)采用点+线或点+线+梁的建模方式创建舱壁、水平板和垂直板等，见图9.(6)对称得到复杂圆柱壳模型，建立模型非对称部分，得到复杂圆柱壳完整参数化模型.(7)连接不同舱段，建立大型复杂圆柱壳参数化模型(见图10)，满足多方案仿真建模和对比分析的需要.图9 舱室参数化建模流程Fig.9 Process of parametrization modeling of ship cabin图10 大型复杂圆柱壳模型Fig.10 Large complex cylindrical shell models 1.4 参数化映射技术映射技术是实现不同结构部件与几何构成元素之间的连接以及建立其之间几何约束条件的技术之一.不同的映射对象向不同的映射目标映射可采用不同的映射方法，见表1.其中，方向映射法最常用，采用该方法可手动修改映射的方向，将映射对象沿映射方向投影到映射目标上;垂直映射法将映射对象两点间的最短距离投影到映射目标上，映射方向垂直于映射目标;最近点映射法将映射对象的某一点沿直线方向投向离映射目标最近的点，经过2次映射可将映射对象扩展到映射目标上;参数映射法只适用点对点、点对线和线对线映射，其映射对象投影到映射目标上的位置随参数的变化而变化.表1 模型映射方法Tab.1 Model mapping methods映射对象映射方法点线自由面点参数映射法方向映射法垂直映射法最近点映射法参数映射法方向映射法垂直映射法线不可映射参数映射法方向映射法垂直映射法面不可映射不可映射方向映射法2 参数化模型库设计2.1 模型数据库模块功能模型数据库模块功能包括:(1)创建数据库和数据库分支;(2)将当前显示模型保存到数据库中;(3)复制和剪切数据库中的几何模型;(4)删除数据库和数据库中的几何模型;(5)显示选中的数据库几何模型;(6)移动和组装数据库结构单元.参数化模型库的调用与模型复制功能是实现结构参数化建模的前提，主要包括:(1)复制全部模型或部分模型至另一个工作簿中;(2)合并不同的几何模型;(3)移动、镜像和旋转几何模型;(4)修改几何模型构件名称，加入前缀、后缀或替换关键词等. 2.2 参数化模型的分类和命名规则在实际工程应用中，通常会对复杂几何模型的子构件做一定修改，非参数化几何模型由三维坐标值选取子构件，需要精确确定子构件的坐标位置，这为迅速查找所需的子部件带来不便.为此，采用以名称代表参数化模型物理特征的表征方式.将模型具有类似基本特征的部件归并为一类.模型库分类和命名必须保证以后几何模型库方便增添及调用，不仅要考虑当前模型的几何特征情况，而且要考虑可能入库模型的几何特征.典型复杂圆柱壳结构模块分类命名见图11，一级目录代表整体模型，二级目录代表舱段模型，三级目录以舱段由外到内的大类部件分类，四级目录代表部件的子单元，子单元根据几何形状的位置及大小不同又可分为不同的类别.图11 典型复杂圆柱壳结构模块分类命名Fig.11 Classification naming for typical complex cylindrical shell structure modules2.3 模型库结构根据典型复杂圆柱壳结构分类和命名规则建立各类参数化模型并命名，同时创建参数化模型库和数据库分支，见图12.图12 复杂圆柱壳参数化模型库Fig.12 Parametrization model libraries for complex cylindrical shell4 参数化建模算例基于参数化模型库快速构建复杂圆柱壳参数化模型，见图13.图13 复杂圆柱壳结构参数化模型Fig.13 Parametrization models of complex cylindrical shell structure主要流程包括:(1)导入外壳体;(2)导入耐压壳体;(3)导入第一类肘板;(4)导入第二类肘板;(5)导入实肋板及液舱横隔板;(6)导入上层建筑;(7)导入第一类舱壁;(8)导入第二类舱壁;(9)进入复制功能模块，通过镜像得到另一半并保存在另一个工作簿中;(10)修改名称，合并2个工作簿，并添加非对称结构，从而得到整个舱段参数化模型. 在参数化模型建立后即可根据方案设计要求对其快速修改，从而建立多方案的仿真模型，见图14.图14 舱段结构参数化模型修改Fig.14 Modification of parametrization models of cabin structures5 结束语针对船舶复杂结构，采用基点、基线、梁、横剖面、接头和自由面等基本要素构建一种新的参数化模型表征方法.通过参数化映射技术实现参数化模型不同结构之间连接关系和约束条件的快速建立;基于隐式参数化模型实现大型复杂圆柱壳数值仿真模型的快速构建和修改;基于通用仿真软件二次开发构建复杂圆柱壳结构参数化模型库.相关成果可为实现船舶和飞机等以圆柱壳结构为主体结构的快速仿真建模以及“仿真驱动设计”理念的实现提供参考.参考文献:【相关文献】［1］陆仲绩.自主CAE涅磐之火［M］.大连:大连理工大学出版社，2012:28-34.［2］VOLZ K，DUDDECK F.Crash optimization of bodies in the concept stage of vehicle development［C］//Proc 3rd MIT Conf Comput Fluid＆ Solid Mech.Cambridge，2005. ［3］刘嵩锋，雷勇军，李道奎.汽车起重机车架通用参数化建模和分析系统［J］.计算机辅助工程，2010，19(4):58-61.LIU Songfeng，LEI Yongjun，LI Daokui.Universal parametrization modeling and analysis system of truck crane frame［J］.Comput Aided Eng，2010，19(4):58-61.［4］于雁云，林焰，纪卓尚，等.基于参数化表达的船舶结构有限元分析方法［J］.船舶力学，2008，12(1):74-79.YU Yanyun，LIN Yan，JI Zhuoshang，et al.Hull structure parametric FEM analysis［J］.J Ship Mech，2008，12(1):74-79.［5］缪旭弘，王雪仁，贾地，等.大型复杂圆柱壳中高频振动噪声仿真计算方法研究［J］.计算力学学报，2012，29(1):124-128.MIAO Xuhong，WANG Xueren，JIA Di，et al.A numerical simulation method for predicting sound and vibration characteristics of big and complex cylindrical structures［J］.Chin J Comput Mech，2012，29(1):124-128.［6］马运义，许建.现代潜艇设计原理与技术［M］.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2012:179-230.［7］ZIMMER H，PRABHUWAINGANKAR M，DUDDECK F.Topology＆ Geometry based structure optimization using implicit parametric models and LS-OPT［C］//Proc 7th European LS-DYNA Conf.Salzburg，2009.。
